Действие мультфильма происходит в XXII веке. Главная героиня Алиса Селезнева – обычная школьница; она таскает у отца золотые самородки и зайцем катается на Луну. Отец Алисы, профессор Игорь Селезнев, является директором Московского космического зоопарка. На свою голову он обещает Алисе взять ее с собой в экспедицию по поиску редких животных, и вскоре экипаж космического корабля «Пегас» в составе отца, дочери и капитана Зеленого отбывает на Луну.

По ходу путешествия члены экипажа нападают на след двух знаменитых капитанов-путешественников, Кима и Бурана, пропавших некоторое время назад где-то на дальних окраинах космоса. Вскоре герои понимают, что они попали в эпицентр настоящего заговора с участием космических пиратов, охотящихся за формулой абсолютного топлива.

По мере того, как экипаж «Пегаса» приближается к разгадке пропажи двух капитанов, их собственное положение становится все опаснее. Хватит ли Алисе смелости и смекалки, чтобы разгадать тайну третьей планеты системы Медузы?

Сюжет мультфильма основан на повести Кира Булычева «Девочка с Земли», написанной десятью годами ранее.

Мультфильм стал четвертой режиссерской работой советского постановщика-мультипликатора Романа Качанова. К тому времени Качанов был уже настоящей звездой советской анимации, поэтому руководство студии Союзмультфильм позволило ему взять на себя столь длинную картину. Дороговизна и времязатратность создания полнометражного мультфильма считались тогда неслыханными, но Качанов был автором сверхуспешного сериала про Чебурашку и Крокодила Гену, чем заработал определенный кредит доверия.

Изначально мультфильм планировалось делать в технике фотоперекладки, или ротоскопирования, то есть перерисовывать каждый кадр с кинопленки, на которую уже отсняты актеры и декорации, но такой метод только увеличил бы и так затянувшуюся разработку картины. Чтобы сэкономить время, создателям пришлось сократить или объединить многие сюжетные линии, а также изменить внешний вид некоторых персонажей: например, у Громозеки в мультфильме шесть рук, а не десять, потому что анимация в этом случае была бы слишком уж сложной. Музыку к мультфильму вызвался написать Александр Зацепин, работавший над всеми картинами Леонида Гайдая. Работа над картиной продолжалась четыре года, но в итоге мультфильм получил Госпремию и даже вышел в США спустя 5 лет после премьеры в СССР.

За дизайн персонажей отвечала художница Наталья Орлова, работавшая ранее над «Серебряным копытцем» и «Мышонком Пиком». Решив, что главная героиня должна быть похожа на простую русскую девочку, она позаимствовала образ Алисы у собственной дочери Кати, в будущем известнейшей российской актрисы Екатерины Семеновой, а Зеленого рисовала со своего мужа Тенгиза, также крупного деятеля советского и российского кинематографа. Однако самым трудным для Орловой стал внешний вид инопланетянина Громозеки. В конце концов художница нарисовала его, вдохновившись формами консервной банки.

Создавая задники для космических сцен мультфильма, художники вдохновлялись фантастической и научно-популярной литературой по астрономии. Однако флора и фауна планет, которые посетили главные герои, – плод одной лишь исключительной фантазии аниматоров.

Кир Булычев – псевдоним Игоря Можейко, профессора Института народов Азии АН СССР. Булычев скрывал собственное авторство, чтобы избежать подколок со стороны своих коллег, но после выхода мультфильма ему пришлось-таки раскрыть свою личность: этого требовало вручение ему Госпремии СССР.

В 2005 году российская игровая компания Акелла создала одноименную видеоигру, которая заимствует сюжет и дизайн персонажей мультфильма. Управляя Алисой Селезневой, игроку предстоит пройти детективный квест, путешествуя по 32 различным игровым локациям.